La fotosíntesis es el proceso utilizado por plantas, algas y ciertas bacterias para aprovechar la energía de la luz solar y convertirla en energía química. Aquí, describimos los principios generales de la fotosíntesis y destacamos cómo los científicos están estudiando este proceso natural para ayudar a desarrollar combustibles limpios y fuentes de energía renovable.
Tipos de fotosíntesis
Existen dos tipos de procesos fotosintéticos: la fotosíntesis oxigenada y la fotosíntesis anoxigenada. Los principios generales de la fotosíntesis anoxigenada y oxigenada son muy similares, pero la fotosíntesis oxigenada es la más común y se observa en plantas, algas y cianobacterias.
Durante la fotosíntesis oxigenada, la energía de la luz transfiere electrones del agua (H2O) a dióxido de carbono (CO2), para producir carbohidratos. En esta transferencia, el CO2 se "reduce" o recibe electrones, y el agua se "oxida" o pierde electrones. Finalmente, el oxígeno se produce junto con los carbohidratos.
La fotosíntesis oxigenada funciona como un contrapeso a la respiración al absorber el dióxido de carbono producido por todos los organismos respiratorios y reintroducir oxígeno a la atmósfera.
Por otro lado, la fotosíntesis anoxigenada utiliza donantes de electrones distintos al agua. El proceso generalmente ocurre en bacterias como las bacterias moradas y las bacterias de azufre verde, que se encuentran principalmente en varios hábitats acuáticos.
"La fotosíntesis anoxigenada no produce oxígeno, de ahí su nombre", dijo David Baum, profesor de botánica en la Universidad de Wisconsin-Madison. "Lo que se produce depende del donante de electrones. Por ejemplo, muchas bacterias usan el sulfuro de hidrógeno gaseoso que huele mal a huevo, produciendo azufre sólido como subproducto".
Aunque ambos tipos de fotosíntesis son asuntos complejos y de varios pasos, el proceso general se puede resumir claramente como una ecuación química.
La fotosíntesis oxigenada se escribe de la siguiente manera:
6CO2 + 12H2O + Energía luminosa → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Aquí, seis moléculas de dióxido de carbono (CO2) se combinan con 12 moléculas de agua (H2O) utilizando energía luminosa. El resultado final es la formación de una sola molécula de carbohidrato (C6H12O6, o glucosa) junto con seis moléculas de oxígeno y agua respirables.
Del mismo modo, las diversas reacciones de fotosíntesis anoxigenica pueden representarse como una sola fórmula generalizada:
CO2 + 2H2A + Energía Ligera → + 2A + H2O
La letra A en la ecuación es una variable y H2A representa el donante potencial de electrones. Por ejemplo, A puede representar azufre en el sulfuro de hidrógeno donador de electrones (H2S), explicaron Govindjee y John Whitmarsh, biólogos de plantas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en el libro "Conceptos en fotobiología: fotosíntesis y fotomorfogénesis" (Narosa Publishers y Kluwer Academic, 1999).
El aparato fotosintético.
Los siguientes son componentes celulares esenciales para la fotosíntesis.
Pigmentos
Los pigmentos son moléculas que otorgan color a las plantas, algas y bacterias, pero también son responsables de atrapar eficazmente la luz solar. Los pigmentos de diferentes colores absorben diferentes longitudes de onda de luz. A continuación se muestran los tres grupos principales.
- Clorofilas: estos pigmentos de color verde son capaces de atrapar la luz azul y roja. Las clorofilas tienen tres subtipos, denominadas clorofila a, clorofila b y clorofila c. Según Eugene Rabinowitch y Govindjee en su libro "Photosynthesis" (Wiley, 1969), la clorofila a se encuentra en todas las plantas de fotosíntesis. También hay una variante bacteriana llamada bacterioclorofila, que absorbe la luz infrarroja. Este pigmento se ve principalmente en las bacterias púrpuras y verdes, que realizan la fotosíntesis anoxigenica.
- Carotenoides: estos pigmentos rojos, naranjas o amarillos absorben la luz verde azulada. Ejemplos de carotenoides son la xantofila (amarillo) y el caroteno (naranja) de donde las zanahorias obtienen su color.
- Ficobilinas: estos pigmentos rojos o azules absorben longitudes de onda de luz que las clorofilas y los carotenoides no absorben tan bien. Se ven en cianobacterias y algas rojas.
Plastidios
Los organismos eucariotas fotosintéticos contienen orgánulos llamados plastidios en su citoplasma. Los plastidios de doble membrana en las plantas y algas se conocen como plastidios primarios, mientras que la variedad de membranas múltiples que se encuentra en el plancton se llama plastidios secundarios, según un artículo publicado en la revista Nature Education por Cheong Xin Chan y Debashish Bhattacharya, investigadores de la Universidad de Rutgers. en Nueva Jersey
Los plástidos generalmente contienen pigmentos o pueden almacenar nutrientes. Los leucoplastos incoloros y no pigmentados almacenan grasas y almidón, mientras que los cromoplastos contienen carotenoides y los cloroplastos contienen clorofila, como se explica en el libro de Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).
La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos; específicamente, en las regiones de grana y estroma. La grana es la porción más interna del orgánulo; Una colección de membranas en forma de disco, apiladas en columnas como placas. Los discos individuales se llaman tilacoides. Es aquí donde tiene lugar la transferencia de electrones. Los espacios vacíos entre columnas de grana constituyen el estroma.
Los cloroplastos son similares a las mitocondrias, los centros de energía de las células, ya que tienen su propio genoma, o colección de genes, contenidos dentro del ADN circular. Estos genes codifican proteínas esenciales para el orgánulo y la fotosíntesis. Al igual que las mitocondrias, también se cree que los cloroplastos se originaron en células bacterianas primitivas a través del proceso de endosimbiosis.
"Los plástidos se originaron a partir de bacterias fotosintéticas envueltas que fueron adquiridas por una célula eucariota unicelular hace más de mil millones de años", dijo Baum a Live Science. Baum explicó que el análisis de los genes del cloroplasto muestra que una vez fue miembro del grupo de cianobacterias, "el único grupo de bacterias que puede lograr la fotosíntesis oxigenada".
En su artículo de 2010, Chan y Bhattacharya señalan que la formación de plastidios secundarios no puede explicarse bien por la endosimbiosis de las cianobacterias, y que los orígenes de esta clase de plastidios aún son objeto de debate.
Antenas
Las moléculas de pigmento están asociadas con proteínas, lo que les permite la flexibilidad de moverse hacia la luz y hacia las demás. Una gran colección de 100 a 5,000 moléculas de pigmento constituye "antenas", según un artículo de Wim Vermaas, profesor de la Universidad Estatal de Arizona. Estas estructuras capturan efectivamente la energía de la luz del sol, en forma de fotones.
En última instancia, la energía de la luz debe transferirse a un complejo pigmento-proteína que puede convertirla en energía química, en forma de electrones. En las plantas, por ejemplo, la energía de la luz se transfiere a los pigmentos de clorofila. La conversión a energía química se logra cuando un pigmento de clorofila expulsa un electrón, que luego puede pasar a un receptor apropiado.
Centros de reacción
Los pigmentos y proteínas, que convierten la energía de la luz en energía química y comienzan el proceso de transferencia de electrones, se conocen como centros de reacción.
El proceso fotosintético
Las reacciones de la fotosíntesis de las plantas se dividen en las que requieren la presencia de la luz solar y las que no. Ambos tipos de reacciones tienen lugar en los cloroplastos: reacciones dependientes de la luz en el tilacoide y reacciones independientes de la luz en el estroma.
Reacciones dependientes de la luz (también llamadas reacciones de luz): cuando un fotón de luz golpea el centro de reacción, una molécula de pigmento como la clorofila libera un electrón.
"El truco para hacer un trabajo útil es evitar que ese electrón encuentre su camino de regreso a su hogar original", dijo Baum a Live Science. "Esto no se evita fácilmente, porque la clorofila ahora tiene un 'agujero de electrones' que tiende a atraer los electrones cercanos".
El electrón liberado logra escapar al viajar a través de una cadena de transporte de electrones, que genera la energía necesaria para producir ATP (trifosfato de adenosina, una fuente de energía química para las células) y NADPH. El "agujero de electrones" en el pigmento de clorofila original se llena tomando un electrón del agua. Como resultado, se libera oxígeno a la atmósfera.
Reacciones independientes de la luz (también llamadas reacciones oscuras y conocido como el ciclo de Calvin): las reacciones de luz producen ATP y NADPH, que son las ricas fuentes de energía que impulsan las reacciones oscuras. Tres pasos de reacción química conforman el ciclo de Calvin: fijación de carbono, reducción y regeneración. Estas reacciones usan agua y catalizadores. Los átomos de carbono del dióxido de carbono son "fijos", cuando se construyen en moléculas orgánicas que finalmente forman azúcares de tres carbonos. Estos azúcares se utilizan para producir glucosa o se reciclan para iniciar nuevamente el ciclo de Calvin.
Fotosíntesis en el futuro
Los organismos fotosintéticos son un medio posible para generar combustibles de combustión limpia como el hidrógeno o incluso el metano. Recientemente, un grupo de investigación de la Universidad de Turku en Finlandia, aprovechó la capacidad de las algas verdes para producir hidrógeno. Las algas verdes pueden producir hidrógeno durante unos segundos si se exponen primero a condiciones oscuras, anaeróbicas (libres de oxígeno) y luego se exponen a la luz. El equipo ideó una forma de extender la producción de hidrógeno de las algas verdes por hasta tres días, como se informó en su Estudio de 2018 publicado en la revista Energy & Environmental Science.
Los científicos también han realizado avances en el campo de la fotosíntesis artificial. Por ejemplo, un grupo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, desarrolló un sistema artificial para capturar dióxido de carbono utilizando nanocables, o alambres que tienen unas pocas billonésimas de metro de diámetro. Los cables se alimentan en un sistema de microbios que reducen el dióxido de carbono en combustibles o polímeros mediante el uso de energía de la luz solar. El equipo publicó su diseño en 2015 en la revista Nano Letters.
En 2016, los miembros de este mismo grupo publicaron un estudio en la revista Science que describió otro sistema fotosintético artificial en el que se utilizaron bacterias especialmente diseñadas para crear combustibles líquidos con luz solar, agua y dióxido de carbono. En general, las plantas solo pueden aprovechar aproximadamente el uno por ciento de la energía solar y usarla para producir compuestos orgánicos durante la fotosíntesis. En contraste, el sistema artificial de los investigadores pudo aprovechar el 10 por ciento de la energía solar para producir compuestos orgánicos.
La investigación continua de procesos naturales, como la fotosíntesis, ayuda a los científicos a desarrollar nuevas formas de utilizar diversas fuentes de energía renovable. Considerando que la luz solar, las plantas y las bacterias son ubicuas, aprovechar el poder de la fotosíntesis es un paso lógico para crear combustibles de combustión limpia y carbono neutral.
Recursos adicionales:
